《沥青路面设计》课件.ppt

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1、第十二章 沥青路面设计,主要内容,沥青路面设计程序与设计方法标准轴载与轴载换算沥青路面的破坏状态与设计标准土基与路面材料强度指标沥青路面结果厚度计算沥青路面改建设计,第一节 沥青路面设计程序与设计方法,沥青路面设计任务结构组合设计材料组成设计厚度设计验算 结构方案比选路肩构造设计排水系统设计,设计程序根据拟定的结构层材料，确定设计弯沉计算公式中各参数，计算设计弯沉值；目标：交工验收时轮隙中心实测路表弯沉小于等于设计弯沉；通过诺模图或电算程序，查图或电算求出待设计层的厚度；通过弯拉应力验算；抗冻层厚度验算技术经济比较,沥青路面设计方法:经验法：AASHTO法；CBR法。依据调查或大型试验总结得到

2、的设计方法，其特点是符合试验地的实际，但是不能结合不同地方的实际。力学经验法（M-E）：AI法；SHELL法；我国设计方法。依据力学模型计算结构响应，结合实际进行参数的确定，其特点是理论联系实际，是目前设计方法发展的总趋势。,沥青路面设计基本理论弹性层状体系理论弹性层状体系理论的图式,弹性层状体系理论的假定,各层连续、弯曲弹性、均匀、各向同性，位移、形变微小；最下一层（路基）在水平方向和垂直方向无限大，其上各层厚度有限，水平方向无限；各层在水平方向无限远处，及最下层向下无限深处，应力、形变、位移为零；层间接触情况，或完全连续（连续体系）或仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（滑动体系）；不计自重。,

3、第二节 标准轴载与轴载换算,标准轴载及当量换算轴载换算 公路实际行驶的车轮类型千差万别，轴载也各不相同，它们对路面结构的损耗作用也不同，无法分析它们对弯沉增大的总效应，有必要定义一种标准轴载，将其它轴载的作用等效为标准轴载作用。标准轴载 标准轴载一般要求对路面的响应较大、同时又能反映本国的公路运输运营车辆的总体轴载水平，涉及运输经济和路面结构经济性两个方面。我国规范采用单轴双轮组BZZ-100。,轴载当量换算的原则等破坏原则：不同标准轴载使用末期达到相同的临界状态为标准。即对同一种路面结构，甲轴载作用N1次后路面达到预定的临界状态，乙轴载作用使路面达到相同临界状态的作用次数为N2，此时甲乙两种

4、轴载作用在使用末期的破坏状态相同；等厚度原则：对某一种交通组成，不同标准轴载换算换算所得轴载作用次数设计计算确定的路面厚度相同。,当量轴次按弯沉或弯拉应力为指标将不同车型、不同轴载的作用次数换算为与标准轴载100KN相当的轴载作用次数。我国公路沥青路面设计中的轴载换算公式弯沉及沥青层底拉应力为设计指标的换算公式：,半刚性材料层底拉应力为设计指标的换算公式：,贫混凝土基层层底拉应力为设计指标的换算公式：,设计年限与累计当量轴次,沥青路面的设计年限：至少,设计年限内的累计当量轴次：,车道系数,各种轴载在不同车道上的概率分布,沥青路面的交通等级,我国沥青路面交通轻重的等级划分,我国沥青路面按其承担的

5、交通荷载轻重划分为四个交通等级，即：轻、中等、重、特重，具体以两种划分方法进行计算后取较高等级进行定级。,第三节 沥青路面的破坏状态与设计标准,1沥青路面的破坏状态沉陷路面在 车轮荷载作用下产生的较大凹陷变形 设计指标：路基表面的垂直压应变或垂直压应力 原因：路面结构土基承载能力低引起土基的较大垂直塑性变形。要求：,车辙路面结构层和土基在行车重复荷载作用下的补充压实，以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久变形。要求：RDr e RDr e疲劳开裂：路面在正常使用情况下，由行车荷载的多次反复作用引起的。原因：沥青结构层受车轮荷载的反复弯曲作用，使结构层底面产生的拉应变（或拉应力）值超过材料的疲劳

6、强度，底面便开裂，并逐渐向表面发展。要求：r R 或r R,推移当沥青路面受到较大的车轮水平荷载作用时，路面表面可能出现推移和拥起。原因：车轮荷载引起的垂直力和水平力的综合作用，使结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度，并且与行驶车轮的冲击、振动有关。要求：max R（应使用高温时的弹模）低温缩裂路面结构中某些整体性结构层在低温时由于材料收缩受限制产生较大的拉应力，当超过材料相应条件下的抗拉强度时便产生开裂。要求：rt tR（应使用低温时的弹模）,2我国沥青路面的设计指标与要求我国公路沥青路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标。对沥青混凝

7、土面层和整体性材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算，城市道路尚须进行沥青面层的剪应力验算。设计指标及验算指标必须小于其极限标准。,3.以弯沉作为设计指标的原因 路面总变形表征路面各结构层的变形与路基顶面变形之和，反映了路面整体刚度的强弱。当路面在车辆荷载反复作用下不断地弯曲使变形积累、增大到某种程度时，路面结构即产生疲劳开裂，从而可在一定程度上建立起路面损坏与弯沉、弯沉与轴载作用次数间的关系。路表弯沉值可以简单地量测，操作简便；压应变、拉应变指标测试较困难。弯沉指标既可作为设计指标，又可以作为质量检验、路面养护的评价手段。,设计理论-层状体系理论,设计指标和要求：,轮隙中间路表面（A点）计

8、算弯沉值小于或等于设计弯沉值轮隙中心下（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力m应小于或等于容许拉应力R,4.弯沉概念,回弹弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生垂直变形，卸载后能恢复的那一部分变形。残余弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的卸载后不能恢复的那一部分变形。总弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的总垂直变形（回弹弯沉+残余弯沉）。容许弯沉：路面设计使用期末不利季节,标准轴载作用下双轮轮隙中间容许出现的最大（代表？）回弹弯沉值。设计弯沉：是指路面交工验收时、不利季节、在标准轴载作用下,标准轴载双轮轮隙中间的最大（代表？）弯沉值。,5.弯沉测定,贝克曼法：传统检测方法，速度慢，静态

9、测试，试验方法成熟，目前为规范规定的标准方法。落锤弯沉仪法：利用重锤自由落下的瞬间产生的冲击载荷测定弯沉，属于动态弯沉，并能反算路面的回弹量，快速连续测定，使用时应用贝克曼进行标定换算。自动弯沉仪法：利用贝克曼法原理快速连续测定，属于试验范畴，但测定的是总弯沉，因此使用时应用贝克曼进行标定换算。,6.设计弯沉的调查与分析,沥青路面按外观划分的性能等级,我国把第四外观等级作为路面临界破坏状态，以第四外观等级路面的弯沉值的低限作为临界状态的划界标准，从表中所列的外观特征可知，这样的临界状态相当于路面已疲劳开裂并伴有少量永久变形的情况。对相同路面结构不同外观特征的路段进行测定后发现，外观等级数愈高，

10、弯沉值愈大，并且外观等级同弯沉值大小有着明显的联系。因此可以在弯沉值与不同时期的累计交通量间建立关系,7.设计弯沉值,设计弯沉值是路面峻工验收时、最不利季节、路面在标准轴载作用下测得的最大(代表)回弹弯沉值。可根椐设计年限内每个车道通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型确定的路面弯沉设计值。,8.容许弯拉应力,对沥青混凝土的极限劈裂强度，系指15时的极限劈裂强度；对水泥稳定类材料龄期为90d的极限劈裂强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180d的极限劈裂强度(MPa)，水泥粉煤灰稳定类120d的极限劈裂强度(MPa)。沥青混凝土层的抗拉强度结构系数：无机结合料稳定集料类

11、：无机结合料稳定细粒土类,9.路面结构的弯沉计算,弹性层状理论是在一定假设条件下（半无限空间体、材料各向同性、均质体且不计自重）经过复杂的力学、数学推演的理论体系，假设条件与路面实际不完全相符合，这是导致理论与实际不一致的原因。因此引入弯沉修正系数F，将理论弯沉值进行修正，使计算弯沉与实测弯沉值趋于接近。,弯沉修正系数,10.路面结构的弯拉应力计算,理论最大拉应力系数：,实际设计时，该值通过程序计算得到。,11.路面材料设计参数,以路表弯沉值为设计指标时，设计参数采用抗压回弹模量。对于沥青混凝土试验温度为20；以弯拉应力（应变）为设计指标时，拟验算的结构层采用弯拉回弹模量（对于沥青混凝土试验温

12、度为15），其它结构层采用抗压回弹模量。,12.沥青结构层的回弹模量参数,13.半刚性基层结构层的回弹模量参数,14.土基回弹模量设计值规定,15.土基回弹模量取值方法,现场测试法：承载板测试法：采用直径30cm的刚性承载板，在现场土基表面，通过承载板对土基逐级加载、卸载的方法，测出每级荷载下相应的土基回弹变形值，采用1mm线性归纳法按下式计算测点处路基回弹模量值：承载板测试法:回弹弯沉测试:落锤式弯沉仪：,查表法：1）确定临界高度（根据自然区划、土质）；2）拟定土的平均稠度（根据路基设计高度与临界高度的关系，确定路基顶面以下80cm范围内不同深度的含水量，计算平均稠度；3）预测土基回弹模量（

13、根据平均稠度、土质、自然区划查表）室内试验法：根据室内小承载板测得回弹模量，乘以折减系数。换算法：通过回归分析，确定特定地区、土质的CBR等现场试验数据与回弹模量的关系；,14、土基回弹模量的参数,第五节 沥青路面结构组合设计,沥青路面结构组合设计的基本原则总原则：面层耐久、基层坚实、土基稳定具体要求：适应行车荷载作用的要求 从上至下，从薄到厚，从强到弱，表层抗滑、抗磨耗在各种自然因素作用下稳定性好 具有很好的水稳定性和温度稳定性考虑结构层的特点 上下层匹配，总体上强度足够而不过多浪费考虑防冻、防水要求,详细组合原则：根据沥青路面的工作特性，各结构层应尽量按强度和刚度自上而下逐层递减的规律安排

14、；必须考虑材料特点和施工工艺以及强度和造价等方面考虑；各结构层应具有适宜的厚度，不宜使层数过多而厚度过小；应合理选择相邻结构层之间的模量比（基层:面层（E2E1）宜在1.53，基层:底基层（E2E3）宜不大于3，底基层:土基（E3E0）宜在2.512.5）；对于低温地区，应考虑收缩裂缝，进行合理的防止反射裂缝组合，并保证有适宜的沥青面层厚度；对于潮湿地区及多雨地区，应考虑水稳定性，选择水稳定性好的基层及尽量考虑不透水的面层；路面还应满足防冻厚度的要求；应考虑结构层间的结合性。,轻交通中等交通结构组合设计原则按照道路等级和交通要求选择面层等级和类型按各结构层的功能选择结构层次按各结构层的应力分布

15、特性顾及各结构层次本身的特性考虑环境状况的不利影响适当的层数和厚度,重交通时结构组合设计原则正确认识各结构层的作用，考虑各结构层对路面长期使用性能的影响沥青层应保证足够的厚度，交通量越大，沥青层的厚度应越大沥青层材料设计基层模量应具有适当的模量当采用半刚性材料作为基层或垫层时，应作适当的处理十分重视路面排水系统的设计,沥青路面结构组合面层：单层、双层或三层沥青面层基层：柔性、半刚性、刚性或组合式垫层：排水、防冻、防水、防污等粒料或稳定土土基：密实、坚固、不透水层间结合：牢固,沥青路面面层要求面层路用性能要求,面层抗滑性能要求,沥青层最小厚度要求,基层最小厚度和适宜厚度要求,第六节 沥青路面结构

16、厚度计算,第七节 沥青路面改建设计,沥青路面改建设计沥青路面随时间，其性能和承载能力不断降低，超过设计使用年限（或超过累计当量轴次后）将不能满足正常行车要求，需进行补强或改建。改建的种类：加宽、提升等级，提升线形标准（局部改线）等，如果有老路面作为加铺基础，称为补强。否则应按新建路面设计。补强设计工作内容：路面结构状况调查、弯沉评定及补强厚度设计。,1）路况调查交通调查（确定现有交通量，预测交通量增长率）；路基状况调查（调查路基土质、干湿状况及排水情况，明确是否需要采用进一步工程措施改善含水量）；路面状况调查（调查路面结构、表面状况、病害及其原因，在进行补强设计时，考虑是否需要采取特殊措施，如

17、：采用抗冲刷能力更强的路面材料等）；路面修建与养护历史调查（调查路面建成过程中，及建成后的一些重要事项，如：该路面可能已加铺了抗滑表层等）,2）强度评价 路表回弹弯沉（最不利季节）的评价方法：路段划分（不短于1000m），并在各路段上实地检测，一般每车道按20-50m间隔测试，计算回弹弯沉值；考虑荷载、温度、季节、湿度影响因素，确定影响系数；按一定保证率计算代表回弹弯沉值；按代表回弹弯沉计算旧路面的综合回弹模量（类似土基回弹模量）3）设计方法：将综合回弹模量视为土基回弹模量；拟定结构组合；按前面设计方法（查图法、程序计算法等）确定补强层厚度。,补强设计时应注意的问题,1）原路面当量回弹模量（综合回弹模量）计算 是标准轴载单轮传压面当量圆半径（单位cm），一般为10.65cm；m1是所谓“轮板（系数）对比值”，为1.1；m2是原路面当量回弹模量扩大系数，当计算与原有路面接触的补强层层底拉应力时才用到的修正系数（修正原因：将原路面结构看作弹性半空间体（以当量回弹模量表征）带来的偏差）；,2）修正方法：按双层体系，将所有加铺层换算为接触层相同模量的等效厚度层。,